基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法及相关装置

1.本发明属于水轮机控制技术领域，特别涉及基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法及相关装置。


背景技术：

2.海流能的开发利用，虽然到现在研究仅有四十多年，但海流能却是清洁能源中发展速度最快的一员。深海探测装备对于深海稳定发电站的需求十分迫切。一个稳定可靠的深海能源站不但会极大地减少维护船只的费用，而且会增加探测器的探测面积，缩短探测时间。由于深海中轮机与电机输出最佳功率的转速差距较大，因此改同轴传动为双轴传动，引入变速齿轮。同时，传统深海发电系统的最大功率追踪方法适于小范围内寻优，可以用于弥补增速比控制的精度缺陷。目前，深海发电系统采用固定增速比，由于水下流动环境复杂、数学模型不够精确，固定的增速比无法达到需要的控制效果；以及海水的阻力、轮机和转子的惯性造成系统控制严重滞后，响应时间长，影响控制的实时性。随着人工智能技术的发展，近年来提出的深度强化学习控制方法因具有不断完善自身控制策略提高自身模型的适应性和超前控制的特性，可以很好的应用于本场景中。然而，深度强化学习控制方法也具有一定的弊端：深度强化学习控制方法自身功耗大，且深度强化学习算法所需要的训练周期较长，前期控制效果不稳定。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法及相关装置，以解决现有度强化学习控制方法自身功耗大，且深度强化学习算法所需要的训练周期较长，前期控制效果不稳定的问题。
4.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
5.第一方面，本发明提供基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法，包括：
6.采集水轮机环境变量信息；
7.将采集的水轮机环境变量信息与预设的训练模型边界阈值进行比较，得到当前训练模型的训练程度和范围，根据训练程度和范围调节得到当前环境下的最优增速比；
8.通过电路结构变负载的方法来调节水轮机发电机系统的阻力矩，与当前环境下的最优增速比结合后得到当前环境下水轮机的最佳平衡转速；
9.最佳平衡转速下水轮机环境变量与上一时刻水轮机环境变量进行差异大小对比，根据对比结果对最优增速比进行动态调节。
10.可选的，水轮机环境变量信息包括：
11.流场流速、海流偏航角、水轮机转速、水轮机扭矩、发电机转速和发电机扭矩。
12.可选的，根据训练程度和范围调节得到当前环境下的最优增速比：
13.若水轮机环境变量未超出训练模型边界阈值，直接依据模型训练的结果调节得到当前环境下的最优增速比；
14.若环境变量超出训练模型边界阈值，采用寻优算法确定针对当前环境下的最优增速比。
15.可选的，在通过寻优算法得到最优增速比后，将当前环境变量信息以及其对应的最优增速比数据加入训练模型的训练集，在训练模型基于更新后的数据集训练后，对模型的边界阈值进行更新。
16.可选的，最佳平衡转速下水轮机环境变量：
17.在针对当前时刻进行水轮机最佳转速调节后，重新采集水轮机环境变量数据，得到最佳平衡转速下水轮机环境变量。
18.可选的，根据对比结果对最优增速比进行动态调节：
19.若满足δq/δt》β，则当前时刻环境变量与上一时刻有大差异，最优增速比需要针对当前时刻的新环境重新进行调节；δq为归一化环境变量模值变化量，δt为控制系统采样间隔；
20.在不满足大变化不等式δq/δt》β的条件下，若满足小变化不等式δq/δt》δ，则当前时刻环境变量与上一时刻相比有小变化，不调节最优增速比，单独通过变负载的mppt调节方法对小变化的最佳转速调节；若不满足δq/δt》δ，则当前时刻环境与上一时刻相比没有大变化，不对最佳增速比和负载进行调节，水轮机的最佳转速对比上一时刻没有变化。
21.可选的，单独通过变负载的mppt调节：
22.给定初始升降压倍率γ
23.采集电能输出端的电压电流参数，计算电能输出功率p
24.调整升降压倍率为
25.采集电能输出端的电压电流参数，计算电能输出功率p
26.若输出功率满足判断条件：η为既定达到最大输出功率的判断阈值，即输出功率在最大输出功率的判断阈值内，则结束控制；
27.若输出功率不满足判断条件：且p2》p1，则继续调整升降压倍率为重复上述过程直至输出功率满足此判断条件；
28.若输出功率不满足判断条件：且p1》p2，则将β值设置为自身相反数后，调整升降压倍率为重复上述过程直至输出功率满足此判断条件。
29.第二方面，本发明提供基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制系统，包括：
30.数据采集模块，用于采集水轮机环境变量信息；
31.最优增速比获取模块，用于将采集的水轮机环境变量信息与预设的训练模型边界阈值进行比较，得到当前训练模型的训练程度和范围，根据训练程度和范围调节得到当前环境下的最优增速比；
32.最佳平衡转速获取模块，用于通过电路结构变负载的方法来调节水轮机发电机系统的阻力矩，与当前环境下的最优增速比结合后得到当前环境下水轮机的最佳平衡转速；
33.最优增速比动态调节模块，用于最佳平衡转速下水轮机环境变量与上一时刻水轮机环境变量进行差异大小对比，根据对比结果对最优增速比进行动态调节。
34.第三方面，本发明提一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法的步骤。
35.第四方面，本发明提一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法的步骤。
36.与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
37.本发明提出了加入增速比变速传动和变负载mppt结合的控制策略。通过对环境变量的采集和分析，来选择不同的最优增速比调节方法。在针对环境确定最优增速比后，通过变负载mppt的方式对最优转速进行细节控制。最终在增速比和mppt的结合下使水轮机拥有当前环境下的最佳转速。同时在控制的过程中不同的样本也对模型的训练进行强化和深入补充，进一步拓展了模型的鲁棒性和适用性。两个控制程序的判断逻辑使得其能针对环境的变化量做出最佳控制逻辑选择，减小了系统在控制程序上的能量消耗，使得系统整体的产能效率最大化。
38.本发明利用神经网络训练的模型实现对不同海流环境下最佳增速比的选择，实现了变速传动阶段发电效率的最大化。在此基础上针对性的进行以mppt算法为控制策略的变负载微调节，使得整个系统的能源利用效率最大化。实现了增速比变速传动和变负载mppt变负载控制策略的有机组合，使得该系统同时具备良好的工作环境适应性及高效发电特性。
附图说明
39.图1为本发明工作流程图。
40.图2为系统最大功率追踪控制流程图。
具体实施方式
41.以下结合附图对本发明进一步说明：
42.请参阅图1至图2，本发明为解决不同的深海发电系统装置和实时变化的深海流场环境中的水轮机最佳转速控制问题，提出了加入增速比变速传动和变负载mppt结合的控制策略。通过对环境变量的采集和分析，来选择不同的最优增速比调节方法。在针对环境确定最优增速比后，通过变负载mppt的方式对最优转速进行细节控制。最终在增速比和mppt的结合下使水轮机拥有当前环境下的最佳转速。同时在控制的过程中不同的样本也对模型的训练进行强化和深入补充，进一步拓展了模型的鲁棒性和适用性。两个控制程序的判断逻辑使得其能针对环境的变化量做出最佳控制逻辑选择，减小了系统在控制程序上的能量消耗，使得系统整体的产能效率最大化。
43.参照图1，图1中q为收集到的海流信息，ζ为训练模型阈值，β为增速比控制阈值，δ为mppt控制阈值。本发明工作流程如下：
44.(1)设备开始运行，用相应传感器采集流场流速、海流偏航角、水轮机转速、水轮机扭矩、发电机转速、发电机扭矩等环境变量信息作为0时刻系统的初始输入，以此驱动系统挂起进入控制循环。
45.(2)将收集到的环境变量信息与当前阶段的训练模型边界阈值进行比较，对当前所处环境的训练程度和应用范围进行定位。
46.(3)若环境变量未超出训练模型边界阈值，满足此条件代表目前模型的训练程度和范围满足对当前环境增速比的调节和计算。可以直接依据模型训练的结果快速调节得到当前环境下的最优增速比。
47.(4)若环境变量超出训练模型边界阈值，满足此条件代表目前模型的训练程度和范围不满足当前环境增速比的调节和计算。此时应用传统的寻优算法确定针对当前环境下的最优增速比选择。
48.(5)在通过寻优算法得到最优增速比后将当前环境变量信息以及其对应的最优增速比数据加入模型的训练集。在模型基于更新后的数据集训练后，对模型的边界阈值进行更新。
49.(6)得到针对当前环境的最优增速比后，通过电路结构变负载的方法来调节发电机系统的阻力矩，与前环节最优增速比调节结合后得到当前环境下水轮机的最佳平衡转速w
max
。
50.(7)在针对当前时刻进行水轮机最佳转速调节后，利用传感器采集环境变量数据，为下一控制步长提供控制依据。
51.(8)若满足(大变化不等式)，则说明当前时刻环境变量与上一时刻有较大差异，最优增速比需要针对当前时刻的新环境重新进行调节。
52.(9)在不满足(δq/δt》β)的条件下，若满足(δq/δt》δ)，则说明当前时刻环境变量与上一时刻相比有一定程度的变化，由于最优增速比的调节适用范围较大，所以针对这种情况不需要调节最优增速比。单独通过变负载的mppt调节方法即可实现对一定量环境因素变化的最佳转速调节。若不满足(δq/δt》δ)，则说明当前时刻环境与上一时刻相比几乎没有太大变化，对整体系统的功率没有显著影响，此时不需要对最佳增速比和负载进行调节，水轮机的最佳转速对比上一时刻没有明显变化。
53.参照图2，图2为图1中变电阻法mppt调节的流程：在对电能输出端的功率进行控制时，首先给定一初始升降压倍率，并采集此倍率下的电压电流参数，计算电能输出功率。然后，对升降压倍率进行调整，若调整升降压倍率后，电能输出功率p在最大输出功率的判断阈值内，则认为电能输出端达到了最大功率；若增加(减小)升降压倍率时，电能输出功率p也同时增加(减小)，但未达到最大输出功率的判断阈值内，则继续增加升降压倍率直至电能输出功率p在最大输出功率的判断阈值内，认为电能输出端达到了最大功率；若增加(减小)升降压倍率时，电能输出功率p同时减小(增加)，则向反方向调整升降压倍率直至电能输出功率p在最大输出功率的判断阈值内，认为电能输出端达到了最大功率。p1和p2都是采集得到的p，p1是上一循环的p，p2是当前循环的p。：
54.给定初始升降压倍率γ
55.采集电能输出端的电压电流参数，计算电能输出功率p
56.调整升降压倍率为
57.采集电能输出端的电压电流参数，计算电能输出功率p
58.若输出功率满足判断条件：η为既定达到最大输出功率的判断阈值，
即输出功率在最大输出功率的判断阈值内，则结束控制；
59.若输出功率不满足判断条件：且p2》p1，则继续调整升降压倍率为重复上述过程直至输出功率满足此判断条件；
60.若输出功率不满足判断条件：且p1》p2，则将β值设置为自身相反数后，调整升降压倍率为重复上述过程直至输出功率满足此判断条件。
61.本发明再一实施例中，提供基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制系统，能够用于实现上述的基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法，具体的，该系统包括：
62.数据采集模块，用于采集水轮机环境变量信息；
63.最优增速比获取模块，用于将采集的水轮机环境变量信息与预设的训练模型边界阈值进行比较，得到当前训练模型的训练程度和范围，根据训练程度和范围调节得到当前环境下的最优增速比；
64.最佳平衡转速获取模块，用于通过电路结构变负载的方法来调节水轮机发电机系统的阻力矩，与当前环境下的最优增速比结合后得到当前环境下水轮机的最佳平衡转速；
65.最优增速比动态调节模块，用于最佳平衡转速下水轮机环境变量与上一时刻水轮机环境变量进行差异大小对比，根据对比结果对最优增速比进行动态调节。
66.本发明实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理器中，也可以是单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
67.本发明再一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法的操作。
68.本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计
算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法的相应步骤。
69.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
70.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
71.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
72.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
73.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法，其特征在于，包括：采集水轮机环境变量信息；将采集的水轮机环境变量信息与预设的训练模型边界阈值进行比较，得到当前训练模型的训练程度和范围，根据训练程度和范围调节得到当前环境下的最优增速比；通过电路结构变负载的方法来调节水轮机发电机系统的阻力矩，与当前环境下的最优增速比结合后得到当前环境下水轮机的最佳平衡转速；最佳平衡转速下水轮机环境变量与上一时刻水轮机环境变量进行差异大小对比，根据对比结果对最优增速比进行动态调节。2.根据权利要求1所述的基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法，其特征在于，水轮机环境变量信息包括：流场流速、海流偏航角、水轮机转速、水轮机扭矩、发电机转速和发电机扭矩。3.根据权利要求1所述的基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法，其特征在于，根据训练程度和范围调节得到当前环境下的最优增速比：若水轮机环境变量未超出训练模型边界阈值，直接依据模型训练的结果调节得到当前环境下的最优增速比；若环境变量超出训练模型边界阈值，采用寻优算法确定针对当前环境下的最优增速比。4.根据权利要求3所述的基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法，其特征在于，在通过寻优算法得到最优增速比后，将当前环境变量信息以及其对应的最优增速比数据加入训练模型的训练集，在训练模型基于更新后的数据集训练后，对模型的边界阈值进行更新。5.根据权利要求1所述的基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法，其特征在于，最佳平衡转速下水轮机环境变量：在针对当前时刻进行水轮机最佳转速调节后，重新采集水轮机环境变量数据，得到最佳平衡转速下水轮机环境变量。6.根据权利要求1所述的基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法，其特征在于，根据对比结果对最优增速比进行动态调节：若满足δq/δt>β，则当前时刻环境变量与上一时刻有大差异，最优增速比需要针对当前时刻的新环境重新进行调节；其中β为增速比控制阈值，δq为归一化环境变量模值变化量，δt为控制系统采样间隔；在不满足δq/δt>β的条件下，若满足δq/δt>δ，则当前时刻环境变量与上一时刻相比有小变化，不调节最优增速比，单独通过变负载的mppt调节方法对小变化的最佳转速调节；若不满足δq/δt>δ，δ为mppt控制阈值，则当前时刻环境与上一时刻相比没有大变化，不对最佳增速比和负载进行调节，水轮机的最佳转速对比上一时刻没有变化。7.根据权利要求6所述的基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法，其特征在于，变负载的mppt调节具体为：给定初始升降压倍率γ；采集电能输出端的电压电流参数，计算电能输出功率p；调整升降压倍率为
采集电能输出端的电压电流参数，计算电能输出功率p；若输出功率满足判断条件：η为既定达到最大输出功率的判断阈值，即输出功率在最大输出功率的判断阈值内，则结束控制；若输出功率不满足判断条件：且p2>p1，则继续调整升降压倍率为重复上述过程直至输出功率满足此判断条件；若输出功率不满足判断条件：且p1>p2，则将β值设置为自身相反数后，调整升降压倍率为重复上述过程直至输出功率满足此判断条件。8.基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制系统，其特征在于，包括：数据采集模块，用于采集水轮机环境变量信息；最优增速比获取模块，用于将采集的水轮机环境变量信息与预设的训练模型边界阈值进行比较，得到当前训练模型的训练程度和范围，根据训练程度和范围调节得到当前环境下的最优增速比；最佳平衡转速获取模块，用于通过电路结构变负载的方法来调节水轮机发电机系统的阻力矩，与当前环境下的最优增速比结合后得到当前环境下水轮机的最佳平衡转速；最优增速比动态调节模块，用于最佳平衡转速下水轮机环境变量与上一时刻水轮机环境变量进行差异大小对比，根据对比结果对最优增速比进行动态调节。9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法的步骤。

技术总结
基于变速传动与变负载耦合的水轮机控制方法及相关装置，包括：采集水轮机环境变量信息；根据训练程度和范围调节得到当前环境下的最优增速比；通过电路结构变负载的方法来调节水轮机发电机系统的阻力矩，与当前环境下的最优增速比结合后得到当前环境下水轮机的最佳平衡转速；对最优增速比进行动态调节。本发明提出了加入增速比变速传动和变负载MPPT结合的控制策略。通过对环境变量的采集和分析，来选择不同的最优增速比调节方法。在针对环境确定最优增速比后，通过变负载MPPT的方式对最优转速进行细节控制。最终在增速比和MPPT的结合下使水轮机拥有当前环境下的最佳转速。下使水轮机拥有当前环境下的最佳转速。下使水轮机拥有当前环境下的最佳转速。


技术研发人员：陈雅楠 史锦康 钱禹岐 郭朋华 聂佳玮 周家逸
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/6/27